大采高厚层坚硬石灰岩顶板弱化技术

2014-07-30陈瑞华

山西焦煤科技 2014年3期

陈瑞华

(阳煤集团开元煤矿，山西寿阳 045400)

我国煤层赋存条件复杂，属于坚硬顶板的煤层约占1/3。大采高综采工作面坚硬顶板的长时间悬顶达到一定极限时，极易造成大面积的顶板垮落，甚至伴随着井下飓风等动力灾害，严重威胁着矿井的安全高效开采。因此，必须采取科学合理的技术措施，改变顶板垮落性能，促使其增加弱面，使此类顶板在较小的面积和较短时间内垮落［1－4］。本文选取游仙山煤矿厚层坚硬石灰岩顶板大采高首采工作面为研究对象，研究此类顶板条件下的大采高综采工作面顶板弱化技术。

1 工程概况

游仙山煤矿主采15#煤层，煤层厚度3.8 m，顶板为K2石灰岩岩层，厚度 2.63～8.15 m，平均厚度5.39 m，其上为9.8 m 的泥岩，底板为 1.7 m 泥岩。试验工作面15016为首采工作面，切眼长150 m，综合机械化开采一次采全高。试验工作面附近钻孔顶板取样测试结果见表1。由表1表明，该石灰岩层属于硬－坚硬岩层，按顶板分类，属IVb级顶板，在不采取弱化措施的条件下来压显现非常强烈。

为此，结合相邻矿井龙顶山煤矿在开采15#煤层过程中，出现的石灰岩顶板大面积悬顶的实际情况，提出游仙山15016首采工作面的顶板弱化技术，即开切眼内“深孔爆破拉槽弱化顶板”和超前工作面“深孔爆破预裂顶板”的方法。

表1 顶板岩石力学性能测试结果表 MPa

2 深孔爆破拉槽弱化顶板关键参数确定

首采工作面开切眼内深孔爆破拉槽弱化顶板的目的在于减少初次来压步距，从而控制工作面悬顶距离。下面结合理论计算对顶板弱化基本几何参数和爆破参数进行科学合理的设计。

2.1 顶板弱化基本几何参数选择

为保证15#煤层顶板弱化垮落后能充填满采空区，弱化垮落所需的顶板高度由式(1)计算:

在采高M取3.8 m，碎胀系数Kp取1.33的条件下，能充填满采空区所需的顶板高度Δh为11.5 m，由于石灰岩顶板之上的泥岩垮落情况不能确定，开切眼内弱化顶板按最不利条件考虑，11.5 m用作顶板弱化的高度参数。

2.2 顶板弱化爆破关键参数选择

根据矿井瓦斯条件，选用DY1200S(MK－4)型全液压坑道钻机钻眼，2号煤矿许用乳化炸药为爆破孔装药，药卷规格为 d60 mm ×500 mm，1.5 kg/卷。工作面推进2～4个截深，即推进1.2～2.4 m后进行装药、联线和爆破。

1)爆破孔直径。

爆破孔直径较大时，封孔效果不好，容易出现“打枪”现象或严重破坏巷道。当爆破孔较小时，压碎区和裂隙区半径较小，不能达到理想的爆破效果。根据已有的工程实践经验，深孔爆破孔直径一般在60～80 mm。15#煤层15106首采工作面K2石灰岩顶板爆破弱化拟采用直径75 mm的爆破孔。

2)爆破孔长度。

工作面长度越大，所需爆破的岩层厚度越大，爆破孔应越长。此外，爆破孔的长度受施工影响和限制，爆破孔长度较大，特别是超过50 m后，钻孔、装药和封孔都比较困难。从现场应用考虑，在满足安全和正常生产的前提下，应尽可能减少爆破孔长度。因此，15106首采工作面K2石灰岩顶板爆破孔长度不宜超过50 m。

3)封孔长度。

为保证爆破效果和安全，封孔长度应为爆破孔长度的20%～30%，爆破孔长度小于20 m时取大值;爆破孔长度大于20 m时可取小值，但封孔最小长度不能小于4 m。

4)爆破钻孔布置。

为更好地保证工作面切眼的爆破效果，对爆破钻孔的布置参数进行详细设计，见表2和图1。工作面液压支架设备安装前，在距开切眼后帮1 m平距位置处，沿开切全长在顶板标定弱化顶板的爆破钻孔孔口位置，150 m长的切眼共布置10组26个爆破钻孔，分别用 A(a)、B(b)、C(c)、D(d)和 E(e)表示，A(a)、B(b)、C(c)每组布置3个爆破钻孔，D(d)和E(e)每组布置2个爆破钻孔。E2钻孔与e2钻孔孔口投影平距为22 m，孔底投影平距为3 m。A1钻孔与a1钻孔孔口从工作面煤壁最外端投影位置开始。

表2 顶板钻孔布置及爆破参数表

图1 15106工作面开切眼弱化顶板钻孔布置示意图

3 深孔爆破预裂顶板关键参数确定

在工作面初次弱化后，需要采取工作面超前预裂技术进一步弱化顶板结构，调整其力学性能，进而从根本上减小工作面顶板的周期来压步距。根据15106工作面实际情况，提出超前工作面较小步距和较大步距预裂顶板的技术方案，并对其关键参数进行优化设计。

超前工作面两巷钻场硐室布置见图2，工作面两侧两巷中各钻场硐室对称布置，钻场硐室按宽4 m、深3 m或4 m沿顶板布置。较小步距按15 m设计，实施两次，与工作面开切眼内爆破配合，以确保工作面顶板较早地初次充分垮落。较大步距按30 m设计，直至工作面停采线，以确保工作面顶板周期来压步距≤30 m。

图2 超前工作面深孔爆破预裂顶板步距设计图

3.1 较小步距预裂顶板爆破钻孔布置及爆破参数

每个钻场分别布置切断工作面推进方向上顶板相互联接的钻孔和切断工作面与两巷上部顶板相互联接的钻孔，前者平行工作面布置，后者与两巷延伸轴线夹小角度布置，见表3，钻场钻孔布置立体示意图见图3。

表3 较小步距预裂顶板钻孔布置及爆破参数表

较小步距预裂顶板钻场硐室内分别布置8个炮孔，分别为 A、B、C、D、E、F、G、H，其中 A、B、C、D、E平行工作面扇形布置;F、G、H与工作面两巷延伸中心线成16°夹角扇形布置，且孔底全部布置在石灰岩中。

图3 较小步距超前工作面弱化顶板钻孔布置示意图

3.2 较大步距预裂顶板爆破钻孔布置及爆破参数

两次超前工作面较小步距预裂顶板后，一般情况下顶板已初次垮落，但两巷中仍需要不断的超前工作面进行深孔爆破，以预裂顶板，只是预裂顶板的步距从15 m加大到30 m，钻场硐室空间尺寸、钻场内爆破钻孔数量、爆破钻孔孔口位置同较小步距爆破时参数的选取。平行工作面布置，用来切断工作面推进方向上顶板与顶板连接的A、B、C、D和E爆破钻孔，其长度、角度、装药量及全部参数同较小步距。较大步距情况下不同的是用来切断工作面顶板与巷道一侧顶板之间连接的F、G和H。钻孔随步距加大后的相关参数见表4。